Module M1102: Initiation à la téléphonie d’entepise

Module M1102:Initiation à la téléphonie d’entreprise

L. Sassatelli

[email protected]://www.i3s.unice.fr/~sassatelli/teaching

1

Situation dans la formation DUT R&T

• Organisation :- Cours : 6h- TD : 3h- TP : 12h

• Notation :- DS (dont QCM) : coeff 1- TP : coeff 1

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Références principales

- Téléphonie analogique : Claude Rigault, Principes de commutation numérique. Du téléphone au multimédia

- VoIP : Lecture Series on Broadband Networks by Prof. Karandikar , Department of Electrical Engineering, IIT Bombay.

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Plan général du cours

1. Historique et électronique du téléphone analogique

2. Numérisation de la voix humaine

3. Commutation et multiplexage

4. Voix sur IP : challenges et solutions

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Dates et inventions clés

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Dates et inventions clés

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Le télégraphe optique : télégraphe de Chappe

• Télégraphe (du grec têlé, loin et graphe, écrire) : système destiné à transmettre des messages d'un point à un autre sur de grandes distances, à l'aide de codes pour une transmission rapide et fiable.

• Télégraphe optique : Le premier télégraphe exploité était optique et totalement manuel.

Il s'agit d’un premier réseau de télécommunications d'envergure nationale au monde.

Pendant la Révolution française, Claude Chappe imposa à l'État français son système révolutionnaire de transmission par sémaphores, notamment grâce au soutien de Joseph Lakanal : la Tour Chappe.

• Sémaphore : tour pour transmettre des signaux (le mot sémaphore vient du grec sema : signe et phoros : qui porte)

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Le télégraphe électrique : le télégraphe de Morse

• Télégraphe électrique : En 1832, Samuel Morse : Une ligne électrique relie deux points.

• À chaque extrémité est placée une machine constituée d'un émetteur et d'un récepteur.

• L'émetteur est un manipulateur manuel, un simple interrupteur alimente avec une batterie plus ou moins brièvement la ligne. Le récepteur est un électroaimant connecté directement sur la ligne, actionnant un mécanisme chargé de transcrire le code par le marquage d'une bande de papier.

• Le code inventé par Morse est la transcription en une série de points et de traits des lettres de l'alphabet, des chiffres et de la ponctuation courante. Le point est une impulsion brève et le trait une impulsion longue.

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L’invention du téléphone : brevet en 1876

• Alexander Graham Bell est souvent considéré l’inventeur du telephone car détenteur du premier brevet effectif.

• Cependant d’autres inventeurs tels Elisha Gray et Antonio Meucci ont aussi développé un “télégraphe parlant”.

• Antonio Meucci, un immigrant italien, a commence dès 1849 et fait une declaration d’invention en 1871. Son role dans l’invention du telephone a été négligé, et la chamber des représentants en 2002 a vote une resolution honorant les contributions de Meucci.

• Elisha Gray, un ingénieur électricien, a deposé une declaration d’invention au bureau des brevets américain, le même jour que Bell y a depose son brevet de telephone. Mais pour d’obscures raisons, le bureau des brevets a descerné à Bell le premier brevet pour un telephone.

10https://www.loc.gov/rr/scitech/mysteries/telephone.html

Qu’est-ce que le son ?

• L'onde sonore : Une onde acoustique est une perturbation mécanique (onde de compression-dilatation du milieu) qui se propage dans un milieu matériel.

C’est une vibration.

• L'onde va "comprimer" et "décomprimer" le milieu puis, après le passage de l'onde, le milieu reste inchangé.

-> ne marche pas dans le vide

temps

Densité de molécules à un point P de l’espace

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Télé-communication vocale

• But : transformer le signal sonore en un signal électrique pour le transporter loin et sans autant d’atténuation que le son dans l’air.

• Rappel : une tension électrique est _______________

• v(t) variations de la densité de l’air est transformé en s(t) variations de la tension électrique

• Principes du microphone et du haut-parleur :– Membrane pour variations de l’air

– Bobine pour courant produisant un champ

magnétique

– Aimant pour transformer la force magnétique

en force mécanique

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La ligne d’abonné

• la liaison d'abonné est une paire de fils de cuivre

• relie l'abonnée au central téléphonique

• la ligne assure la transmission:

– de la voix (fréquence vocale de 300 à 3 400 Hz),

– de la numérotation (10 Hz pour la numérotation décimale - au cadran - et 697 à 1 633 Hz pour la numérotation fréquentielle)

– et de la signalisation générale (boucle de courant, fréquences vocales)

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Besoin du full-duplex

• Communication simplex : possible que dans un sens

• Communication duplex : possible dans les 2 sens– half-duplex : un seul sens à un instant donné

– full-duplex : les deux sens en même temps

• Téléphonie : requiert full-duplex ! (on doit pouvoir parler en même temps)

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Le problème du duplex sur 2 fils

• L’investissement principal des opérateur téléphoniques est constitué par les câbles reliant les abonnées aux centraux téléphoniques.

• Mettre 4 fils par abonné, au lieu de 2 -> augmentation du capital, déjà gigantesque

• Circuit duplex avec 2 fils ?

• 1ère solution : mettre le micro et le haut-parleur en série sur la même ligne

-> ça ne fonctionne pas à cause de l’effet local

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Duplex sur 2 fils: le problème de l’effet local (side tone)

• On obtient un schéma équivalent de la ligne en juxtaposant des cellules en T :Chaque kilomètre de ligne est assez bien représenté par

une cellule de 4 résistances séries de 60 ohms et un

condensateur parallèle de 0,15 nF.

• Avec le micro et le haut-parleur en série, le montage entre les 2 interlocuteurs est donc :

• -> toute l'énergie générée par le microphone va dans l'écouteur de celui qui parle et qu'une beaucoup plus faible partie arrive dans l'écouteur de celui qui écoute !

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Duplex sur 2 fils: le problème de l’effet local (side tone)

• -> pas bon car celui qui parle, s’entendant fort, va naturellement baisser sa voix

• Cet effet pernicieux, par lequel celui qui parle s’entend plus fort que celui qui l’écoute, est appelé l’ « effet local »

• La solution : utiliser un transformateur particulier appelé « bobine antilocale »

• L’énergie émise par le micro se répartit en 2 moitiés: une moitié part dans la ligne, l’autre moitié est perdue dans une impédance dite « impédance d’équilibrage » censée imiter exactement l’impédance de la ligne

• -> aucun courant ne circule dans l’écouteur de celui qui parle 17

Pour évoluer de…

• Téléphone sans possibilité de numéroter

• Nécessitant des opératrices humaines dans les centraux téléphonique

18

A large Bell System international switchboard in 1943

… à une automatisation relative

• Télephone permettant de composer le numéro destinataire

• Sans besoin d’humain pour commuter chaque appel, maistoujours avec des signauxanalogiques

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Commutateur téléphique électro-mécanique (croosbar).D’environ 1920 à 1980

Circuit de signalisation du poste:Signalisation nécessaire

• Le téléphone doit transmettre au central, ou recevoir de celui-ci, des données de signalisation:

– On appelle « signaux de ligne » les signaux correspondant à un état du poste

– On appelle « signaux d’enregistreur » les signaux correspondant à l’envoi d’un numéro

Sens Signaux de ligne Signaux d’enregistreur

Téléphone vers centralCentral vers téléphone

Décrochage / RaccrochageSignal d’appel (sonnerie)

Numérotation

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Circuit de signalisation du poste:Schéma d’un poste de téléphone avec cadran

• Indication « décroché ou raccroché »: crochet « h » -> état perçu par le central

• Contact « d » pour la numérotation (« d’ » pour que l’appelant n’entende pas les impulsions

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Numérotation décimale (anciens postes à cadrans rotatifs)

• Décimale (impulsions)– le combiné provoque des coupures de ligne

calibrées

– les numéros sont envoyés au CAA sous forme d'impulsions (66-33ms) selon le chiffre (0=10 impulsions) avec un intervalle minimum de 350ms entre deux chiffres

22

Notre fournisseur de téléphonie historique PTT - France Telecom - Orange

23






24

La numérisation pour finalement arriver à :

• Téléphone avec numérotationfréquentielle et téléservices possible

• Appels commutes automatiquementET efficacement

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1980: DM100, contrôle 100000 lignes de téléphones analogiques, pour opérer un reseau numérique

Qu’est-ce que le son ?

• L'onde sonore : Une onde acoustique est une perturbation mécanique (onde de compression-dilatation du milieu) qui se propage dans un milieu matériel.

C’est une vibration.

• L'onde va "comprimer" et "décomprimer" le milieu puis, après le passage de l'onde, le milieu reste inchangé.

-> ne marche pas dans le vide

temps

Densité de molécules à un point P de l’espace

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Propagation du son

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Composition du signal sonore

• Un signal complexe est la somme de plusieurs signaux simples : – Prenons s3(t)=s1(t)+s2(t)

– Avec s1(t)= sin(2πt/2) et s2(t)= 0.1*sin(2πt/0.1)

• La fréquence est l’inverse de la période : nombre de variations par unité de temps (s).

-f1=1/T1=1/2=0.5 Hz-f2=1/T2=1/0.1=10 Hz

• La fréquence fondamentale f0

est la plus petite fréquence présente dans un signal (f0=f1

ici).

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Caractéristiques fondamentales

• Tension mesurée aux bornesd’un microphone

• Voix humaine : fréquencemaximale de 4KHz

• Audition humaine : fréquencemaximale de 18KHz

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La numérisation pour finalement arriver à :

• Téléphone avec numérotationfréquentielle et téléservices possible

• Appels commutes automatiquementET efficacement

30

1980: DM100, contrôle 100000 lignes de téléphones analogiques, pour opérer un reseau numérique

Les besoins pour le transport de la voix

• A grande distance : donc sans trop de pertes, d’atténuation

• Sans trop tirer de câbles : un câble doit pouvoir être utilisé pour plusieurs communications téléphoniques

• Les 2 interlocuteurs doivent pouvoir parler dans les 2 sens et en même temps.

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La numérisation

Convertisseur AnalogiqueNumérique

(CAN)

Convertisseur Numérique Analogique

(CAN)

s(t)

n

q[n]

t

ŝ(t)

t

Signal analogique(sortie du microphone)

Signal numérique(bits)

Signal analogique(entrée du haut-parleur)

central téléphoniquede l’appelant

central téléphoniquede l’appelé

Cœur du réseau téléphonique

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La numérisation : principe• Conversion Analogique -> Numérique

• Numérisation = transformation d’un signal continu dans le temps et à valeurs continues en une suite discrète en temps et discrète en valeurs

=> Permet de représenter un signal continu sur un intervalle de temps fini, en un nombre fini de bits

• La discrétisation permet de transformer un espace borné infini en un espace borné fini. Exemple : l’ensemble des nombres réels entre 1 et 10, [1;10], peut être discrétisé en {1;2;3;4;5;6;7;8;9;10} qui est un ensemble fini.

• Discrétisation dans le temps: prélèvement de l’amplitude du signal à des instants précis

= échantillonnage

• Discrétisation en valeurs : l’amplitude est projetée sur un ensemble fini de valeurs

= quantification

• Récepteur : devra reconstituer le signal continu d’origine à partir des échantillons quantifiés transmis

33

La numérisation : principes(t)

t

discrétisation en temps = échantillonnage

dis

crét

isat

ion

en

val

eur

= q

uan

tifi

cati

on

34

La numérisation : intérêt

• Comparé aux systèmes analogiques, le système numérique permet une plus grande qualité de transmission: il suffit de reconnaître la présence du signal et non sa forme pour le reconstituer.

• Il est ainsi possible de régénérer le signal au récepteur en éliminant les erreurs introduites par le bruit.

• La numérisation permet d’utiliser moins de ressources (de câbles, de temps et de bande de fréquence) pour transmettre beaucoup de communications à la fois.

35

La numérisation en téléphonie

• La transformation d’un signal analogique en suite d’échantillons quantifiés s’appelle PCM : Pulse Code Modulation, et constitue la norme G711 de téléphonie internationale.

s(t)

Echantillonnageà 8KHz

Quantification avec loi A

Suite de bitsavec un débit de 64Kbps

s(t) v[n] q[n]


36

L’échantillonnage : condition de reconstruction

• Théorème de Shannon-Nyquist : la reconstruction parfaite d’un signal analogique s(t), à partir du signal v[n] obtenu par un échantillonnage de période Te, est possible si et seulement si

Fe > 2 Fmax

où Fmax est la fréquence maximale présente dans le signal s(t).

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Le choix de Fe en téléphonie

• Téléphone : quelle est Fmax pour la voix humaine ?

– Réponse : Fmax = 4KHz car– D’où le choix : Fe = 8KHz

• Donc Fe=8KHz signifie qu’un CAN dans un central téléphonique produit 8000 échantillons par seconde par communication téléphonique.

• Pour s’assurer que le signal vocal sera bien reproduit, on enlève les composantes de fréquences supérieures à Fmax = 4KHz avant d’échantillonner à Fe=8KHz : on applique un « filtre anti-repliement ».– Vous verrez pourquoi « repliement » un peu plus tard dans l’année

38

Le choix de Fe dans d’autres contextes

• L’oreille humaine entend jusqu’à 15-18KHz, donc pour échantillonner des signaux autres que la voix humaine (musique) :

Contexte Fmax Fe

Radio FM 15KHz 32KHz

Qualité CD 20KHz 44.1KHz

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Etape 2 de la numérisation : la quantification

• Rappel : La numérisation doit permettre de représenter un signal continu sur un intervalle de temps limité, en un nombre fini de bits.

• Or un nombre fini de bits ne peut représenter qu’un nombre fini de valeurs possibles :

M bits ne décrivent que 2M valeurs possibles

• Donc un nombre fini de bits ne peut pas représenter la valeur d’un échantillon tant que celle-ci peut varier dans un espace continu (par exemple valeurs réelles).

• Donc pour obtenir une représentation binaire du signal, il va falloir projeter la valeur de chaque échantillon dans un ensemble fini : c’est la quantification= discrétisation en valeurs

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• Choix de 9 valeurs possibles pour un échantillon

→ Besoin de 4 bits par échantillons• De façon générale, si on choisit V

valeurs possibles, • alors il faut

[partie entière supérieure de log2(V)bits pour les représenter, puisque 2log2(V)=V

→ Le débit consommé par une communication est alorsNb bits par sec = Nb d’échantillons par sec x Nb de bits par échantillon

→ Question : pour minimiser le débit consommer par une communication tout en assurant une qualité acceptable, quel plus petit V puis-je choisir ?

Quantification : principe

41

Quantification : critère de qualité d’écoute

• Au moment de la reconstruction du signal au récepteur, la différence entre signal analogique reconstruit et d’origine perçue par l’oreille est fonction du Rapport Signal sur Bruit :

• Pour une communication téléphonique, une qualité acceptable au destinataire est obtenue si

(C) RSB ≥ RSBseuil=6,3.103 (38dB)

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Quantification non-uniforme

• La norme internationale G711 de téléphonie permet d’obtenir la qualité désirée (C) avec une quantification non-uniforme sur 8 bits au lieu de 12 nécessaires avec une quantification uniforme.

• Débit binaire généré par une com. tél. numérisée avec quantif. non-unif :

débit = nb d’éch par sec*nb de bits par éch = 8000*8 = 64Kbps

Quantification uniforme Quantification non-uniforme

Nb de valeurs : 9Nb de bits nécessaire : 4

Nb de valeurs : 7Nb de bits nécessaire : 3

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Quantification non-uniforme en G711

• Obtention des 8 bits b[n] représentant v[n] :

v[n] --> x=|v[n]/Vmax|--> y=F(x) --> b[n] est le numéro de l’intervalle dans lequel tombe y

• 2 lois de quantification :– USA et Japon :

– Ailleurs (dont Europe) :

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Quantification non-uniforme en G711La loi A

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La numérisation en téléphonie

• La transformation d’un signal analogique en suite d’échantillons quantifiés s’appelle PCM : Pulse Code Modulation, et constitue la norme G711 de téléphonie internationale.

s(t)

Echantillonnageà 8KHz

Quantification avec loi A

Suite de bitsavec un débit de 64Kbps

s(t) v[n] q[n]


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3. Commutation et multiplexage : le Réseau Téléphonique Commuté (RTC)


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Rappel

Convertisseur AnalogiqueNumérique

(CAN)


(CAN)

s(t)

n

q[n]

t

ŝ(t)

t

central téléphoniquede l’appelant

central téléphoniquede l’appelé

Cœur du réseau Téléphonique : numériqueC’est le Réseau Téléphonique Publique Commuté (RTC ou RTPC) 48

Les contraintes dans le cœur du réseau

• Cœur du réseau téléphonique : ensemble des câbles et équipements entre les centraux téléphoniques (pas entre les centraux et les abonnés)

• L’infrastructure physique coûtant cher, on veut pouvoir utiliser un seul câble (ou fibre) pour transmettre plusieurs com. tél. en même temps.

• Quand les signaux des com. tél. traversent un équipement intermédiaire, comment transférer ces signaux pour les orienter vers le destinataire ?

• Le but étant d’avoir un échange en temps réel entre 2 personnes, la qualité de service perçue par les utilisateurs doit être constamment satisfaisante.

P1

P2

P3

49

Multiplexage (pour problème P1)• Définition : le multiplexage est l’action de partager une ressource

commune entre plusieurs communications.

• L’utilisation d’une ressource se fait dans 3 dimensions :espace | temps | fréquence

• Une ressource ne peut pas être utilisée par 2 communications dans les même valeurs des 3 dimensions.

• Exemple : un réseau WiFi (comme unice-hotspot). 2 utilisateurs ne peuvent pas envoyer des trames en même temps, sur la même bande de fréquence, et au même endroit. Il faut :– soit qu’ils soient assez loin pour que leurs ondes n’interfèrent pas

– soit qu’ils n’utilisent pas la même bande de fréquence (différents « canaux » WiFi)

– soit qu’ils n’envoient pas au même moment

• Ceci correspond à 3 types de multiplexages différents : spatial, fréquentiel et temporel

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Multiplexage spatial

• Multiplexage spatial : les couples E/R se partagent le médium de transmission dans l’espace

• Exemples :

– 2 utilisateurs WiFi connectés à 2 AP assez éloignés

– 2 paires de fils dans un même câble portant 2 communications différentes (câble Ethernet avec 2 fils pour A vers B et 2 fils pour B vers A)

– 2 antennes utilisées sur un même équipement pour transmettre 2 signaux différents, et augmenter le débit total : WiFi norme 802.11n, 3G et 4G,…)

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Multiplexage fréquentiel

• Multiplexage fréquentiel : les couples E/R se partagent le médium de transmission dans les fréquences

• Exemples : – 2 utilisateurs WiFi connectés au même AP (donc assez proches) sur 2

canaux WiFi différents (14 canaux en WiFi)

– 1 téléphone transmettant en 4G et un ordinateur en WiFi à côté, ou réception TNT (autour des 1GHz, 2.4GHz et 500MHz)

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Multiplexage temporel

• Multiplexage temporel: les couples E/R se partagent le médium de transmission dans le temps

• Exemples :

– 2 utilisateurs WiFi proches, sur le même canal : chacun transmet quand il peut. Multiplexage statistique

– Sur la fibre optique en sortie d’un central téléphonique, envoyer plusieurs communications sur la même bande de fréquence : Multiplexage synchrone

Tc : temps de transmission d’un échantillon

T : temps entre 2 échantillons de la même communication

T T

Tc

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TDM synchrone dans le réseau téléphonique

• Je prends une unité de temps. Ex: T=Te=125μs

• Je divise cette durée en N intervalles. Ex: N=10

• Un intervalle (TS pour time-slot) a une durée Tc=T/N=12.5 μs

• Tous les bits envoyés pendant un TS = 1 éch d’une communication

• Tous les bits envoyés pendant T = 1 trame

• Le canal logique i, ou circuit i, ou voie i, occupera donc tous les i-èmesslots chaque trame

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TDM synchrone dans le réseau téléphonique : partage de débit

• Un canal correspond au signal sonore numérisé provenant d’un abonné : un échantillon de 8 bits est produit toutes les Te=1/Fe=1/8000=125μs.

• Ceci correspond à un débit par canal de 64Kbps.

• En sortie de CO, agréger N canaux signifie émettre N échantillons en 125μs, donc 8N bits en 125μs.

-> le débit en sortie doit donc être ≥ N.64Kbps

• La durée entre 2 échantillons du même canal ne change jamais (= ), le débit du câble de sortie détermine le temps mis pour envoyer les 8 bits d’un éch, et donc le nombre d’éch possibles en 125μs, donc de canaux différents qui peuvent être multiplexés.

Abonné 1

Abonné 2

Abonné 3

55

La commutation (pour problème P2)

• Différentes façon de résoudre P2.

• Définition : la commutation est un terme général désignant le mode de transfert de l’information, sous forme de signaux ou paquets, entre l’entrée et la sortie d’un équipement traversé.

• Commutation spatiale : la mise en

relation entre l’entrée sur laquelle le

signal arrive dans l’équipement et la

sortie sur laquelle il est transféré se fait

spatialement.

Crossbar switch

Opérateurshumains

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La commutation temporelle

• Commutation temporelle : la mise en relation entre l’entrée sur laquelle le signal arrive dans l’équipement et la sortie sur laquelle il est transféré se fait temporellement.

• Un octet arrivant sur un certain numéro de TS dans la trame entrante est recopié sur un autre numéro de TS dans la trame sortante

port ATS 3

port CTS 1 57

La commutation de circuit

• Commutation de circuit : action d’établir l’équivalent d’un circuit électrique physique dédié entre 2 abonnés

• --> le débit disponible est constant

• --> le délai d’attente dans les équipements est nul

• 2 solutions pour la réalisation de la commutation de circuit :– par commutation spatiale : une continuité électrique est établie (d’où

le nom)

– par commutation temporelle : avec réservation d’un TS dans chaque trame en sortie d’un commutateur pour une communication téléphonique

Contraintesd’une com. tél.

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RTC : analogique (spatiale) à numérique (temporelle)

• Quand le cœur du réseau a été numérisé dans les années 1960, le multiplexage temporel a été introduit, ce qui a permis l’utilisation de débits plus élevés et donc une meilleure utilisation des infrastructure physique.

• Et la commutation spatiale a été remplacée par la commutation temporelle, permise par la numérisation (concept d’échantillons à envoyer successivement).

59

TDM et hiérarchie numérique

• Jonction : terme générique désignant un câble en sortie de CO, avec un débit élevé

• Multiplex (ou trame) d’ordre N : signal issu du multiplexage temporel de N canaux (N com. tél. numérisées)

• Les différentes valeurs de N présentes dans le réseau sont normalisées : hiérarchie PDH.

60

Plesiochronous Digital Hierarchy

61

Trame E1 = Jonction 2048 Kbps

• Multiplex de 32 voies de 64 Kbps :– 30 voies téléphoniques

– +TS0 ou Mot de Verrouillage Trame (MVT) :

• permet le repérage des IT dans les trames

– +IT16 :

• de la trame 0 contient les informations de supervision de la trame et de cadrage pour les multiplex d'ordre supérieur

• des autres trames transporte la signalisation des communications (informations sur l'état du canal)

La trame E1

62






63

Du RTC vers le tout IP

• « Orange a engagé la modernisation de son réseau de téléphonie fixe en France afin de prendre en compte l’évolution des usages, de la technologie et donc d’être en mesure d’assurer un service de qualité dans les années à venir.

• Le service de téléphonie historique qui s’appuie actuellement sur le réseau fixe historique appelé RTC (Réseau Téléphonique Commuté) va donc évoluer et s’appuyer sur la technologie IP devenue standard mondial, nous parlons de voix sur IP.

• Cette technologie IP est déjà utilisée, fin 2016, par plus de 27 millions de clients en France, tous opérateurs confondus (source ARCEP).

• A partir du 4ème trimestre 2018, en métropole, les nouvelles lignes téléphoniques fixes ne seront plus construites sur le Réseau Téléphonique Commuté (RTC) mais le seront sur la technologie Voix sur IP. Tous les opérateurs proposeront alors des offres commerciales adaptées.

• Le RTC continuera de fonctionner pour toutes les lignes existantes, la migration progressive vers la nouvelle technologie IP de ces lignes existantes ne devant commencer qu’à partir de fin 2023. »

64

https://www.orange.com/index.php/fr/actualites/2017/fevrier/Orange-modernise-son-reseau-de-telephonie-fixe-vers-le-tout-IP

https://www.orange.com/index.php/fr/actualites/2017/fevrier/Orange-modernise-son-reseau-de-telephonie-fixe-vers-le-tout-IP

Codecs audio de voix à bas débit

• Vocoders après le CAN: modifient les octets de PCM et leur rythme– > bit rate généré variable

• Différents encodeurs existent : – DPCM : encode la différence entre les échantillons

successifs– ADPCM : avec en plus quantification adaptative– LPC : synthétise la voix par des filtres excités par

entrées dépendant du type de phonème (voisé/non-voisé)

• Ont des caractéristiques différentes en :– complexité– qualité

• => choix du vocoder (du compromis) entre ces caractéristiques en fonction de l’application, du débit disponible

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CAN

Codecaudio

G723G729…

G711

En plus de vocoder : détection de voix

• Détecteurs d’activité de voix (VAD) détermine si le signal d’entrée est de la voix ou du bruit ambiant

– Si du bruit est détecté, alors on n’envoie qu’une indication au récepteur pour lui indiquer de générer un bruit de confort

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Voix sur IP : paquétisation

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CAN

Codecaudio

UDP

PCM (G711) : 64Kbits/s = 8000 Octets/s

Attente de 20ms : accumulation de 160 octets

160 octets de voixentête UDP

→ Quelle durée d’accumulation choisir ?• Attente plus longue : meilleure utilisation du débit, délai augmente• Attente moins longue : plus d’entêtes transmises, délai diminue

→ Pourquoi UDP ?

Problèmes pour le transport IP de la voix

• Hypothèse de départ : Internet best effort, aucune garantie de qualité des opérateurs (contrairement au PSTN : files d’attente !)

68

…

Problèmes pour le transport IP de la voix

• Hypothèse de départ : Internet best effort, aucune garantie de qualité des opérateurs (contrairement au PSTN : files d’attente !)

• Pertes de paquets :

– Mécanisme de retransmission inadapté => UDP (et pas TCP)

– 10 à 20% de pertes de paquets peuvent être tolérées

– FEC : peut corriger pertes sans retransmissions

• Délai de bout en bout :

– Délai < 150ms pas perçu par les humains lors d’une interaction

– 150 - 250ms peuvent être tolérées

• Instabilité du délai (delay jitter) :

– Problème crucial

– Différents paquets subissent différents délais

– Due aux délais aléatoires d’attente aux routeurs

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Delay jitter

70

TxInternet best

effort Rx

Le rythme avec lequel les paquets sont générés à l’émetteur est complètement perdu au récepteur→ si joués ainsi, qualité de la voix très dégradée

Tx

Rx sansjitter

Rx avecjitter

délais identiques

délais différents

Delay jitter

Comment éviter ce problème d’instabilité du délai ?

• avec un buffer de lecture stockant les paquets et les rejouant au rythme exact de génération

71

temps

numéro de paquet

Algorithme de buffer de lecture fixe

• paquet i transmis à ti, reçu à ri, lu à li :

li = ti + dmax

di, réseau = ri - ti

di, buffer = dmax - di, réseau

→ Comment connaître dmax ? Et s’il est trop grand ?

72

Algorithme de buffer de lecture adaptatif

• On se fixe un délai max dmax,choisi

• paquet i arrive à ri :

– si ri < ti + dmax,choisi : paquet i mis en file

– si ri ≥ ti + dmax,choisi : paquet i jeté

=> compromis entre délai et taux de pertes

• dmax,choisi estimé et adapté en permanence

– pour minimiser le taux de perte, mais aussi le délai

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Informations nécessaires pour les algorithmes de buffer

• On a donc besoin de connaître l’instant de génération ti de chaque paquet pour calculer dmax,choisi au récepteur (qui connaît ri )

• Pour savoir si un paquet a été perdu, il faut numéroter les paquets (numéro de séquence)

→ On a donc besoin de plus d’informations que ce qu’UDP met dans son entête : il faut un autre protocole de transport pour la VoIP : RTP

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Real-time Transport Protocol

• RTP: fournit time-stamping et sequencing

• fait en général partie de l’application de VoIP, et utilise sockets UDP

• RTP ne fournit aucun mécanisme pour garantir la réception des paquets sans perte, dans un faible délai ou dans l’ordre

• RTP n’est pas vu par les équipements intermédiaires, seulement par les applications de VoIP aux extrémités

75

Application

RTP

UDP

IP

Liaison de données

Physique

Entête RTP

• Payload type : – indique le codec utilisé pour l’audio (PCM, ADPCM, LPC) et la vidéo (MPEG1,

MPEG2, MPEG4)– l’émetteur peut changer le codec pendant la transmission

• Sequence number :– incrémente de 1 à chaque paquet– utilisé pour détecter les pertes de paquet

• Time stamp :– instant d’échantillonage du premier octet dans le paquet – utilisé pour corriger l’instabilité de délai (delay jitter)

• SSRI (Synchronization Source Identifier) : – identifie le flux RTP entre les hôtes – audio ou vidéo– choisi aléatoirement

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Payload type

Sequence number

Time stamp SSRI

7 bits 16 bits 32 bits 32 bits

Résumé du plan de donnée de la VoIP

• Plan de donnée : ensemble de paquets échangés pendant la transmission des données

• Plan de contrôle : ensemble de paquets pour le contrôle de la communication

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Codec audio

PaquetisationRTP

UDPIP

Paquet VoIP Paquet VoIP

Jitter buffer

RTP Control Protocol : RTCP

• Paquets RTCP distribués à tous les participants (ex: avec multicast IP en IPTV d’opérateurs)

• Paquets RTCP contiennent des rapports de qualité :– nombre de paquets envoyés– nombre de paquets perdus– temps d’inter-arrivées (jitter)

• Ensuite l’application utilise ces informations de qualité comme elle le souhaite– exemple: change le type de quantification si le taux de

perte de paquet indique une congestion sur le réseau

78

Mais comment entre t-on le numérode destinataire?

• Comment joindre la destination désirée :

– c’est la signalisation

• Protocoles de signalisation pour la VoIP :

– Session Initiation Protocol (SIP)

• proposé par l’IETF

• le plus répandu

– H.323

• proposé par l’ITU

• moins utilisé

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Un appel avec SIP

80

IP Network

Voix sur RTPContrôle sur RTCP

Composants et architecture pour SIP

• SIP User Agent (terminal)

• SIP Servers

– Proxy server

– Redirect server

– Registration server

• SIP Gateway

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SIP signaling in IP Network

Non-SIP networks:

H.323, PSTN

Proxy serverRegistrar

SIP gateway

Enregistrement auprès du service de VoIP

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Registrar server

• Le téléphone doit avoir bonne @IP du registrar, bons login et password.

• Le server doit être configuré pour connaître ce login/pwd et savoir quel numéro de tél lui attribuer.

Un appel SIP à travers un server proxy

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Voix sur RTPContrôle sur RTCP

Proxy server

Récap’

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SIP signaling in IP Network

Non-SIP networks:

H.323, PSTN

Proxy serverRegistrar

SIP gateway

Terminal User Agent

AudioG711G723G729

VidéoH.263H.264

RTC

P

SIP

RTP

UDP TCP

IP

Et si on veut assurer la qualité ?

• Il faut réserver des ressources, comme en PSTN

→ version QoS de SIP : QSIP

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Fonctions d'un PABX

• (Auto)Commutateur Privé

• Private Branch Exchange (PBX)

• Le PABX est le commutateur privé situé dans l’entreprise et assurant l’infrastructure nécessaire à un réseau téléphonique privé, indépendant du réseau public mais qui lui y est relié.

– Schéma de base:

PABX

Réseau publicRTPC

Réseau privé de l’entreprise

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• Dans le cas des PABX modernes, ceux-ci peuvent gérer les appels en les transformant en paquets IP.

• Un IPBX peut être un équipement à part entière ou un PC sur lequel tourne un programme « serveur IPBX » (par exemple l’application Asterisk en TP).

• L’IPBX du réseau d’une entreprise est le serveur proxy ou registrar SIP si elle utilise SIP pour gérer son réseau VoIP.

• Connecte :– Des téléphones IP utilisant un protocole non-propriétaire (comme SIP en TP)– Des téléphone IP propriétaires (protocole Aastra en TP)– Des téléphones analogiques

• Signaux analogiques -> le PABX numérise les signaux acoustiques (PCM)• Terminal offrant le moins de services téléphoniques

– Des téléphones sans-fil (DECT)– Des téléphones logiciels (softphones), qui sont des petits programmes

émulant un téléphone sur son PC– ….

IPBX (Internet-PBX)

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Documents

Module M1102: Initiation à la téléphonie d’entepise